基于转子瞬时功率谱分析的双馈风力发电机定子绕组故障诊断

基于转子瞬时功率谱分析的双馈风力发电机定子绕组故障诊断

0发电机转子绕射线故障诊断随着中国及其相关网络义务装置的安装能力的增加，以及海上能源装置的开发，提高和确保能源装置的运营可靠性已成为国内外的中心主题。双馈风力发电机组是风力发电系统中的主流机型。统计资料表明,双馈风力发电机的故障主要发生于定子、转子、轴承、气隙(偏心)等处,其中38%的故障是由定子引起的。因此,研究双馈风力发电机定子绕组的故障诊断对提高机组运行可靠性和利用率具有重要的现实意义。目前,国内外学者对发电机定子绕组故障的诊断监测已经做了一些研究。文献分析了定子绕组匝间短路故障时发电机定转子径向振动特性,指出了发电机径向振动特性与发电机电参数一样,可作为诊断发电机绕组故障的依据,但此方法需要外加振动传感器,对运行中的双馈风力发电机技术上存在困难,同时也增加了风电场的运行成本。文献提出采用转子侧电流频谱信号来监测双馈风力发电机定子绕组故障,找到了不受负载因素影响的特征频率。文献提出采用转子电流调制信号来监测双馈风力发电机定子绕组故障。文献建立了双馈风力发电机定子绕组匝间短路故障多回路模型,并验证了故障情况下在定子、转子电流中会产生特定频率的谐波分量,通过监测这些谐波分量来确定故障发生与否。文献[8-10]提出的方法不需要外加传感器与硬件设备,减少了监测成本,但由于其特征频率的表达式中都含有转差s,对转差s的跟踪、计算精度提出很高要求,计算量大;另有学者采用轴向磁通、定子负序电流、小波分析等方法来监测定子绕组故障,但其灵敏度与可靠性还有待验证。本文从理论分析的角度说明了采用转子瞬时功率谱来诊断双馈风力发电机定子绕组故障的可行性。它不仅具有无需外加传感器与硬件支持,减少监测成本的优点,而且由于其特征频率为2f(f为电网基频),不受转差s的影响,在转差发生轻微改变或存在计算误差时,特征频率不会随之改变,具有很强的抗干扰能力。1转子侧a相瞬时功率谱的计算定义正常状态下双馈风力发电机转子侧单相瞬时功率为:式中:ua为双馈风力发电机转子相电压的瞬时值,仿真中相电压为直接测量所得,实验中则通过所测量的三相线电压换算得到;ia为双馈风力发电机转子相电流的瞬时值;pa为双馈风力发电机的转子单相瞬时功率。正常情况下的双馈风力发电机,转子侧电流、电压均为理想的正弦波,可分别写成(以A相为例):式中:ω1为转子侧基波电压的角频率,ω1=sω,其中ω为定子侧角频率;Uma为基波相电压的幅值;Ima为基波相电流的幅值;φ为基波电流落后于电压的相位角。将式(2)代入式(1)中,可得正常双馈风力发电机转子侧A相瞬时功率为:式(3)表明,转子侧A相瞬时功率为一频率为2f1的分量和一个恒定分量(f1=sf)。当双馈风力发电机发生定子绕组故障时,转子侧的特征信息会比定子侧显著,且转子侧电气量的故障特征频率成分为(2-s)f。则此时转子侧A相电压可表示为:此时,转子侧A相的故障电流分量可以表示为:此时的转子侧A相瞬时功率为:由式(6)可以看出:当双馈风力发电机定子绕组发生故障时,转子侧瞬时功率谱中,除了产生与正常状态相同的2f1的分量和一个恒定分量外,还产生了频率为2f和2(1-s)f的定子绕组故障分量。理论分析表明,特征频率2f和2(1-s)f均可作为故障特征量,不过由于双馈风力发电机的转差s受风速影响,具有实时变化性。为了避免转差s的跟踪和计算误差引起特征频率的计算偏差,选择频率2f作为故障特征频率,具有很好的诊断可靠性。故本文选取转子瞬时功率谱的2f频率处的幅值作为定子绕组故障的特征量。2诊断模型的构建与模拟分析2.1转子风力机转子绕射波场仿真在电机故障诊断的研究中,需要明确故障诊断内容与继电保护内容的区别。继电保护主要针对电机的瞬变故障如绕组相间金属性短路等;而故障诊断主要针对缓变故障(一些轻微的缓变故障,电机可以继续运行较长时间),如电机绕组匝间非金属性短路(高阻短路)等。因此,本文主要针对定子绕组高阻短路等各种轻微缓变故障。双馈风力发电机定子绕组匝间高阻短路为其主要故障形式之一,它会引起定子阻抗的三相不平衡及气隙磁场的畸变。考虑实验的方便性,本文通过在定子绕组的一相串接阻抗或电阻方式模拟定子绕组三相不平衡。此方法虽然不能准确模拟内部短路故障引起的气隙磁场的变化,但可以模拟定子三相不平衡及其影响。本文从仿真和实验两个角度说明转子瞬时功率谱法在双馈风力发电机定子绕组故障诊断中的优越性。首先在PSCAD的仿真环境中建立了双馈风力发电机的故障模型,如图1所示。仿真模型采用异步电机接变频器的方式模拟双馈风力发电机。在异步电机输入端,连接风速模拟单元,模拟风速的实时变化。发电机出口处经变压器变压后接入无穷大系统,实现风力机并网运行。在正常及故障情况下测量转子侧的电流电压为后续的分析做准备。其中发电机参数如下:额定容量为2MVA,额定线电压为0.69kV,基频为50Hz,定转子匝数比为0.333,定子电阻为0.0108(标幺值),转子电阻为0.0121(标幺值),互感为3.362mH,定子漏感为0.102mH,转子漏感为0.11mH。2.2转子谱特征频率随转差的变化在定子A相设定故障电阻为2mΩ、电感为0.1mH来模拟定子绕组故障。通过快速傅里叶变换得到转子电流谱、电压谱及瞬时功率谱在正常及故障时的对比图如图2至图4所示(此时转差s=0.14,输出线电压为0.69kV、线电流为0.92kA,有功功率为0.86MW)。由图可知,转子电流谱特征频率处幅值故障前后变化了4.5dB,变化率为3.61%;转子电压谱特征频率处幅值故障前后变化了3.64dB,变化率为4.45%;而转子瞬时功率谱特征频率处幅值故障前后变化了51.9dB,变化率为55.01%。显然,当双馈风力发电机定子绕组发生轻微故障时,转子电流、电压谱变化并不明显,而转子瞬时功率谱变化则要明显得多,更有利于诊断双馈风力发电机定子绕组的早期故障。3诊断模型的实验和分析3.1yzr博弈电力系统的数学模型本实验在河海大学动态模拟实验室进行。实验采用的双馈风力发电机系统线路见附录A图A1。双馈风力发电机通过升压变压器、输电线和降压变压器对无穷大系统供电。双馈风力发电机定子绕组故障模拟图和实物图见附录A图A2、图A3。其中风力机特性模拟装置用于调节电机转速,风力机励磁控制屏用于调整转子侧控制器和电网侧控制器的启停及参数变化,实时显示转速、有功功率、无功功率及定子电压等。模拟定子绕组故障通过在定子A相串接电阻R来完成,该方法无需破坏性实验,简易可行,是模拟定子绕组故障的常用方法。采集装置由电流、电压传感器和电力故障录波器组成。定子侧选用的电压互感器变比为400V/100V,电流互感器型号为ML-6.0,变比为30A/1A。转子侧电流频率为sf,为低频信号,使用工频互感器会超出其频率应用范围,产生新的误差。本系统采用霍尔电流传感器及低频电压测量装置进行测量。霍尔电流传感器的型号为HZIA-C06,它基于霍尔效应、开环测量原理将转子电流转换成跟随输出的电压信号,交流、直流、混合电流均可测量,具有高线性度、高精确度、长期工作稳定等优点。相应的数据采集装置选用中元华电定制的ZH-2B电力故障录波器。YZR160M-4电机主要参数如下:定子额定电压为380V,定子额定电流为12.5A,转子额定电压为184V,转子额定电流为20A,电机额定功率为5.5kW,额定转速为1445r/min。直流电动机型号为Z2-51,额定功率为5.5kW,额定电压为220V,额定电流为30.9A,额定转速为1500r/min。3.2转子瞬时功率谱特征频率与故障相关度的对应关系为了验证转子瞬时功率谱法在双馈风力发电机定子绕组故障诊断中的有效性,在系统并网运行情况下,在定子A相串联电阻模拟定子绕组故障,通过改变串联电阻阻值来改变定子绕组故障严重程度。同时,通过改变电动机转速来模拟风速变化,以验证在不同转速下,转子瞬时功率谱法在诊断定子绕组故障中的有效性。转速为1425r/min时,正常并网及定子绕组串联电阻R=Rs(Rs为定子电阻)时的功率谱变化情况如图5所示。由图可知,故障前后,功率谱2f处幅值变化了18.256dB,变化率为68.81%。由此可以看出,功率谱特征频率2f处幅值随故障变化明显,对故障发生具有很好的敏感性。应当注意的是,电机定子三相不平衡度一般通过定子负序电流的大小来反映。文中为了清楚反映负序电流大小的程度,使用负序电流的标幺值来衡量定子绕组不平衡度(其中,负序电流的标幺值=负序电流/额定电流)。如表1第2列所示,为4种工况下定子负序电流的标幺值。正常情况下定子A相负序电流为0.165A,负序电流标幺值为0.0132,此负序分量可能来源于电机自身存在一定的固有不对称以及互感器测量误差等。转速为1425r/min时,不同故障严重程度下的转子侧电流谱、电压谱及功率谱特征频率处幅值变化情况见表1。可知,1倍故障时,负序电流标幺值大小为0.0658,电流谱特征频率处幅值变化为35.73dB,变化率为39.90%;电压谱特征频率处幅值变化为36.92dB,变化率为38.23%;而功率谱特征频率处幅值变化为18.256dB,变化率为68.81%。从幅值变化来看,电流、电压谱变化更大,但从变化率上看,功率谱变化则要大得多。图6所示为归一化(所有幅值均除以初始幅值的绝对值)后,转子电流、电压、功率谱等3种频率谱对比图。可以看出,功率谱2f处幅值随着定子负序电流标幺值(三相不平衡度)的增加,其变化最为明显。说明转子瞬时功率谱法在诊断定子绕组故障时比转子电流、电压谱都更具敏感性。表2所示为考虑不同转速及不同故障严重程度时,转子瞬时功率谱2f处的幅值变化情况。其中故障严重程度用定子负序电流标幺值大小表示。由表2可以看出,在不同转速下转子瞬时功率谱特征频率处的幅值都随着故障严重程度的增加而增大。因此,选取转子瞬时功率谱的特征频率2f处幅值作为定子绕组故障诊断的特征量,能够更好地反映故障信息。其对故障的敏感性与可靠性均优于转子侧电流、电压谱,且兼有无需外加传感器、硬件设备的优越性。4转子提高了风电场的稳定性本文从瞬时功率的定义出发,导出了双馈风力发电机在定子绕组故障时,其故障特征在转子瞬时功率谱中的表现形式。公式表明,功率谱的特征频率为2f,不受转差s轻微变化的影响,对转差s的跟踪精度要求不高,减小了计算量。同时,在PSCAD中的仿真表明,在双馈风力发电机定子绕组故障较轻微时,转子电流、电压谱特征频率处幅值变化并不明显,而转子瞬时功率谱2f处幅值变化显著;在动模实验室中的实验结果表明,当双馈风力发电机定子绕组故障较为严重时,转子电流